灌溉泵站設計參數確定及水泵選型

任華紅

（洪洞縣水利局，山西 臨汾 041600）

1 工程背景

臨汾市洪洞縣2016年小型農田水利設施項目縣工程擬在二十里鋪村西北方向1 km 處的汾河東岸修建泵站一座，提水至石灘村和東溝村之間的高地處，并修建1 000 m3蓄水池一座，再由蓄水池向項目區內耕地輸水灌溉。新建泵站設計流量0.26 m3/s，配型號KQSN200-M5/378 水泵1 套，配套電機型號Y355M-2，功率為315 kW；配型號KQSN200-N4/388 水泵2 套，配套電機型號Y315M-2，功率為220 kW；泵房附近設變壓器1臺，配型號為S11-1250KVA/10KV/0.4KV 型變壓器一套。以上3臺泵各配備用泵一套。泵站南側設管理站，建筑面積102 m2。

為保證灌溉泵站的正常運行及性能的正常發揮，應加強泵站參數設計，且主要是設計流量及設計揚程的合理確定，即通過泵站的建設將設計水量提升至設計高度并增壓處理，以滿足農業灌溉用水等方面的要求。因不同泵站承擔著不同的灌溉任務，所以，為加強泵站管理并保證運行效率，必須根據設計流量、揚程等指標進行泵站類型、型號、建筑物等級等的確定。

2 泵站設計參數確定

2.1 泵站設計流量確定

在灌溉設計保證率下的實際灌溉水量即為設計流量，通常情況下，對于大中型灌區而言，一般根據灌區實際灌溉面積、灌水率圖和灌溉水利用系數等參數取值進行所研究灌區灌溉用水流量過程線的計算，并以持續灌溉時間在20 d以上的灌溉水量最大值進行對應年份灌溉引水流量最大值的確定，根據此引水流量進一步確定滿足設計保證率的流量，即為水泵設計流量。具體而言灌區泵站設計引水流量可按下式確定：

式（1）中：Q—泵站設計引水流量（m3/s）；q—設計灌溉率［m3/（s·hm2）］；ω—泵站控制灌溉面積（hm2）；t—泵站實際開機時間（h/d）；η—灌區灌溉水利用系數。

對于小型灌區而言，一般根據灌區實際并借鑒同規模灌區灌溉用水經驗，確定出主要作物一次灌水定額最大值，再根據下式確定泵站設計引水流量：

式（2）中：mi—灌區主要作物一次灌溉定額最大值［m3/（s·hm2）］；ωi—灌區主要作物實際種植面積（hm2）；T—一次灌溉持續時間（d）；其余參數含義同前。

2.2 泵站設計揚程確定

2.2.1 進水池設計水位水源流動變化是決定和影響進水池設計水位的主要因素之一。提水泵站的設計流量與渠道設計流量相同，故進水池設計水位也對應著渠道設計水位；臨河泵站設計流量比渠道實際流量小，因為要考慮水源實際水位及保證率。從河流內取水時，設計水位按照平常灌溉期內85%～95%的水源保證率下日平均水位確定，從渠道取水時，設計水位則按照渠道設計流量水位確定。

2.2.2 出水池設計水位

輸水干渠設計水位是決定泵站出水池設計水位的主要因素，通常結合灌區規劃中的控制高程、設計流量等參數，依據末級渠道設計水位進行出水池設計水位的推求。為保證灌區耕地中90%及以上均能進行自流灌溉，必須從田間向渠首逐級推求出水池設計水位，公式如下：

式（3）中：H出—出水池設計水位（m）；Z—灌區地面高程最大值（m）；ΔZ—灌區與其末級渠道高差（m）；Li—渠道實際長度（m）；Δh—水頭損失。

2.2.3 水泵凈揚程

灌溉泵站歷時最長的工作揚程即為水泵凈揚程，為保證灌溉效率，降低能耗，應在水泵凈揚程工況下進行泵站設計參數確定。通常情況下按照灌區運行期內水文系列資料進行水量加權平均進行凈揚程的確定，公式如下：

式（4）中：H實—水泵凈揚程（m）；H實i—分段揚程實際值（m）；Qi—分段流量實際值（m3/s）；ti—分段歷時實際值（d）；其余參數含義同前。

3 水泵選型

3.1 水泵選型方法

在進行灌溉泵站水泵選型前，必須充分考慮設計供水保證率下的設計揚程和實際流量，并保證泵型的適應性和效率性，在滿足灌溉設計流量的基礎上，盡可能選擇較大功率的水泵，以減少水泵數量，提升灌溉效率，節省灌溉時間。對于同一泵站，最好選擇使用同型號且吸水性能好的水泵。

根據所得出的泵站凈揚程和泵站抽水量值進行泵站裝置性能曲線的確定，具體見圖1，對于A、B、C等任意設計點，均可根據下式計算泵站設計揚程值：

圖1 泵站裝置性能曲線圖

式（5）中：HZ—泵站設計揚程值（m）；S—泵站供水管道阻力系數；Q—泵站供水管道實際流量（m3/s）；其余參數含義同前。

在通過等流量加大揚程的傳統處理方式下，會根據B點所代表的參數值進行水泵選型，若該點處泵站運行效率最高，則所確定的泵型較好，可據此進行泵型選擇的綜合分析。但結合大量工程實踐及試驗結果來看，根據B點所代表的參數值進行選型的水泵其最高效率點并非在B點，而在相對流量較小、揚程較高的C點。隨著抽水量的一味增大，水泵實際上會在大流量低揚程的A點處運行。對于高揚程泵站而言，其供水管路水力損失小，C點和A點的偏移并不大，所以，上述做法對于高揚程泵站選型不會產生較大影響。但是，低揚程泵站因供水管路損失較大，通過以上傳統方法進行泵站選型必然會降低泵站運行效率。為此，對于低揚程泵站推薦使用大流量、變揚程的選型策略。軸流泵、混流泵、離心泵的流量比設計流量分別小8%～10%、5%～10%、10%～15%，揚程比設計揚程大5%～8%、1%～5%、-2%～-4%。

根據文章所提出的方法進行水泵選型后，還應結合泵站流量進行不同類型水泵數量的確定，公式如下：

式（6）中：Q設—泵站設計流量（m3/s）；ni—某種類型水泵數量（臺）；Qi—某種類型水泵單泵設計流量（m3/s）。

根據所繪制的灌溉泵站設計流量過程線進行水泵選型后泵站實際出流量和實際用水過程線的擬合處理，并同時進行灌溉排水流量變動趨勢的檢查。所得擬合過程線和設計流量過程線越接近，則泵型的選擇越合理，也越能滿足灌區灌溉需要。相反，如果所得擬合過程線和設計流量過程線存在較大程度的背離，則必須重新進行泵站選型分析并更換泵型和數量，而后重新進行線型擬合檢驗。

3.2 水泵選型應注意的問題

小型農田水利設施項目灌溉泵站通常使用離心泵、混流泵、軸流泵等葉片泵，為保證泵站運行的穩定性與效率性，應結合不同葉片泵型的性能特征進行選型。通常情況下，混流泵運行高效，結構簡單，軸功率對于不同工況廣泛適用，所以，在進行葉片泵選型時應優先考慮混流泵。灌溉泵站運行效率同時受單機容量、水泵數量等的影響，當水泵容量既定時，水泵數量越多，越有助于滿足灌溉排量方面的要求，在泵站實際運行過程中因個別機組出現故障而影響灌溉的可能性也越小，但是勢必會增加設備購置、土建施工、運行管理等方面的費用。所以，進行灌溉泵站選型及機組數量確定時，必須綜合考慮水泵型號性能、采購成本、造價、土建施工、運行管理等方面。經綜合論證后，臨汾市洪洞縣2016 年小型農田水利設施項目擬建灌溉泵站在流量低于1.00 m3/s 的情況下，水泵數量至少2 臺，流量在1.00 m3/s以上時，水泵數量至少3臺。

4 結論

通過對臨汾市洪洞縣2016年小型農田水利設施項目擬建灌溉泵站設計參數及水泵選型的分析表明，灌溉泵站設計流量、設計揚程、水泵型號、機組數量等對確保泵站工程穩定高效運行及灌溉效率的提升十分關鍵。中國當前小型農田水利設施項目灌溉效率普遍不高，既無法提高財政支農資金使用效率，又不利于農業生產灌溉條件的改善，為此，必須從灌溉泵站設計參數合理確定及泵站選型角度出發，切實提高小型農田水利設施項目灌溉及運行效率。